TWI440295B - 馬達控制裝置 - Google Patents

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Yuji Igarashi
Hidetoshi Ikeda
Takashi Iwasaki
Takeshi Hatanaka
Masayuki Fujita
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Mitsubishi Electric Corp
Tokyo Inst Tech
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    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
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Description

馬達控制裝置
本發明係關於驅動產業用機械裝置之馬達控制裝置。
馬達控制裝置，係希望使馬達位置或速度高速且高精度地追隨位置目標值或速度目標值等的目標值，且為了實現這樣的期望而採用組合有前饋(feedforward)控制及回饋(feedback)控制之二自由度控制。而且，有採用：不僅利用現在的目標值，也先將未來的目標值讀入而加以利用之控制方法，來作為進行更高速高精度化的方法之情形。另外，在進行高速高精度化的同時，有必要抑制因機械共振等而發生之停止時的殘留振動，因此藉由制振控制設計出使產業用機械裝置的振動頻率(共振頻率)的訊號成分變小之前饋控制系統，來實現振動之抑制。
通常，為了使馬達更高速且高精度地追隨目標值，必須使更大的轉矩(torque)產生。而且，在進行更積極地抑制停止時的殘留振動之控制時，會需要更大的轉矩，且轉矩的變化量會變大。然而，馬達可產生的轉矩或為了使轉矩產生所需施加至馬達之電流等的控制輸入有其限制。而且，轉矩的變化量與在馬達控制裝置內產生的電壓有密切的關係，轉矩的變化量變大，電壓會變高，而發生電壓之飽和。此外，轉矩的變化量變大，給予機械系統的衝擊(shock)也會變大。因此，轉矩的變化量等之控制輸入的變化量也有其限制。因而，希望有能夠滿足控制輸入及變化 量的限制，同時能夠高速且高精度地追隨目標值且抑制停止時的殘留振動之控制。
例如，專利文獻1中揭示：對於需要有直到未來M(M>4)步驟(step)的目標值之預測控制，係使用直到未來2步驟或4步驟的目標值來進行預測控制之電動機控制裝置。此先前技術，係藉由只使用直到未來2步驟或4步驟的目標值，來使控制演算較簡易，以及藉由從該等目標值來計算出速度前饋及轉矩前饋(torque feedforward)，並將之用於控制來減少加減速時的過衝(overshoot)，提高一定速度時的追隨性。
另外，專利文獻2中記載之伺服(servo)控制裝置，係具有切換開關(switch)，且在切換開關為ON之情況，使用將預測控制器用作為回饋控制器之回饋控制、或使用二自由度控制，在切換開關為OFF之情況，則切換為只做位置比例控制之回饋控制，藉此來使性能提高。在此先前技術中，控制對象要求高精度的追隨性時，係使切換開關為ON，目標指令增量值有變化時，則使切換開關為OFF。此外，為了使切換前後的控制輸入連續，而利用濾波器(filter)函數器針對切換前後的控制輸入進行線性插值。
[先前技術文獻] (專利文獻)
(專利文獻1)日本特開2010/130852號公報
(專利文獻2)日本特開2005/285030號公報
然而，專利文獻1中記載之先前技術中，雖揭示藉由使用直到未來2步驟或4步驟的未來的目標值，來使控制演算比過去的預測控制簡易，且比未利用未來的目標值之先前技術更能實現高速高精度之技術，但在前饋增益(gain)及預先計算的常數為固定的之情況，卻會有對於各式各樣的指令之變化，難以在控制輸入的大小及其變化量的約束範圍內儘可能地實現高速且高精度的控制之問題。
另外，專利文獻2中記載之先前技術中，雖揭示切換控制器來實現高速且高精度的控制之技術，但只靠在控制對象要求高精度時使切換開關為ON，在目標指令增量值有變化時使切換開關為OFF，並無法考慮轉矩之飽和及轉矩變化量的限制而進行控制器之切換，會有難以高速高精度化之問題。也有切換時控制輸入會變得不連續，而產生衝擊(shock)之問題。此外，專利文獻2中雖也揭示了利用濾波器函數器針對切換前後的控制輸入進行插值之技術，但因為插值中並未考慮控制對象的特性，所以也有難以高精度化之問題。
本發明係有鑑於上述的問題點而完成者，其目的在提供一種不僅利用現在的目標值，也利用過去的目標值，對於任意的位置指令也可滿足控制輸入或控制輸入的變化量的約束，同時可高速高精度地使馬達追隨目標值，而且不會引發停止時的振動之馬達控制裝置。
為了解決上述的課題，達成本發明的目的，本發明之馬達控制裝置係具備有：規範模式部，根據包含馬達之控制對象的控制輸出所應追隨的目標值，來產生表示希望前述控制對象的希望的動作之模式(model)輸出、以及用來驅使前述控制對象進行前述希望的動作之模式輸入；回饋控制部，將前述控制輸出及前述模式輸出予以輸入，而產生使前述控制輸出追隨前述模式輸出之回饋輸入；以及模式輸入加法器，將前述模式輸入及前述回饋輸入予以相加而產生要給予前述控制對象之控制輸入，前述規範模式部包含有：將前述目標值的現在的值及前述目標值的一個或複數個過去的值作為目標值向量(vector)而加以保持之目標值記憶部；模擬前述控制對象的特性，根據前述模式輸入而產生前述模式輸出及狀態變數之數學模式；根據前述目標值向量及前述狀態變數，來產生前述模式輸入之模式控制器；以及根據前述目標值向量及前述狀態變數，而從預先設定的複數個候選的模式控制器之中決定出前述模式控制器之模式控制器決定部。
根據本發明，就可得到：對應於做各種變化之指令，不僅利用現在的目標值，也利用過去的目標值，在馬達驅動中使控制器的特性變化，來高速高精度地使馬達追隨目標值，且不會引發停止時的振動之馬達控制裝置。
以下，根據圖式來詳細說明本發明之馬達控制裝置的 實施形態。惟本發明並不受此等實施形態所限定。
實施形態1.
關於本發明實施形態1之馬達控制裝置100，將參照第1至第3圖來加以說明。第1圖係顯示本發明實施形態1之馬達控制裝置100的構成之方塊圖。以下，各個圖中，同一符號係表示相同或相當的部分。
如第1圖所示，本發明實施形態1之馬達控制裝置100，係由規範模式部1、回饋控制部2、及模式輸入加法部3所構成。與表示所驅動的機械的位置或速度、或者對機械進行驅動之馬達的位置或速度之檢測器5所輸出的控制對象4的控制輸出y(i)相對之目標值r(i)，係從外部輸入至馬達控制裝置100，馬達控制裝置100計算出使來自控制對象4的檢測器5之控制輸出y(i)追隨目標值r(i)之表示馬達的轉矩或電流等之控制輸入u(i)。計算出的控制輸入u(i)從馬達控制裝置100輸出至控制對象4。其中，用於各記號中之i係表示步驟(step)數。
控制對象4係由機械負載及驅動機械負載之旋轉型馬達或線性(linear)馬達等的馬達所構成。將後述之控制輸入u(i)施加至控制對象4的馬達，來使機械負載進行希望的動作。
檢測器5係為編碼器(encoder)或線性光學尺(linear scale)等，係檢測出構成控制對象4之旋轉型馬達或線性馬達的現在位置資訊或速度資訊、或者機械負載的的現在位置資訊或速度資訊等，並以之作為控制輸出y(i)而輸出 至回饋控制部2。
將控制對象4及檢測器5整體視為一個包含馬達之控制對象，則輸出至該控制對象之輸入即為控制輸入u(i)，來自該控制對象之輸出即為控制輸出y(i)。
有目標值r(i)輸入其中之規範模式部1，將表示控制對象4的理想的動作波形之模式輸出yM(i)輸出至回饋控制部2，將使控制對象4做理想的動作之模式輸入uM(i)輸出至模式輸入加法器3。此外，將目標值r(i)予以輸入之規範模式部1具備有：將目標值r(i)記憶保持預定的時間，然後將記憶保持的一個或複數個過去的目標值與現在輸入的目標值r(i)一起作成目標值向量rvec(i)並予以輸出之目標值記憶部15。
規範模式部1另具備有：將模式輸入uM(i)記憶保持預定的時間，然後將記憶的值當作是過去模式輸入uM，(i)予以輸出之模式輸入記憶體(memory)13；以及以模式輸入uM(i)作為其輸入，而輸出模式輸出yM(i)及狀態變數xM(i)之模擬控制對象4的特性之數學模式14。此外，規範模式部1還具備有：以從目標值記憶部15輸出的目標值向量rvec(i)、從數學模式14輸出的狀態變數xM(i)、從模式輸入記憶體13輸出的過去模式輸入uM’(i)作為其輸入，而根據輸進來的這些值，從預先設定的複數個候選的模式控制器之中決定出實際要使用的模式控制器之模式控制器決定部11。
另外，規範模式部1還具備有：以目標值向量rvec(i)、 狀態變數xM(i)、過去模式輸入uM’(i)作為其輸入，且使用模式控制器決定部11所決定出的模式控制器，來計算出使模式輸出yM(i)追隨目標值r(i)之模式輸入uM(i)，並將之輸出至數學模式14及模式輸入加法器3之模式控制器12。其中，狀態變數xM(i)係表示數學模式14的內部狀態，且設為n維(n為1以上)的數值向量。模式輸出yM(i)係為馬達的位置或速度、或位置及速度等，與實際可從控制對象4計測出的物理量對應之數學模式14的狀態變數xM(i)的一部份。而且，將其維度(dimension)記述為m。
接著，針對回饋控制部2進行說明。回饋控制部2係以從規範模式部1輸出之模式輸出yM(i)、及從檢測器5輸出之控制輸出y(i)作為其輸入，來計算出讓控制輸出y(i)追隨模式輸出yM(i)之回饋控制輸入uFB(i)，並將計算出的回饋輸入uFB(i)輸出至模式輸入加法器3。亦即，回饋控制部2包括：以模式輸出yM(i)及控制輸出y(i)作為其輸入，來計算出兩者的值的差，並將計算結果當作是輸出偏差e(i)而予以輸出之模式輸出減法器21；以及以從模式輸出減法器21輸出的輸出偏差e(i)作為其輸入，而以輸出偏差e(i)變為0，亦即，以控制輸出y(i)追隨模式輸出yM(i)之方式來輸出回饋控制輸入uFB(i)之回饋控制器22。
模式輸入加法器3，係將從回饋控制部2輸出之回饋控制輸入uFB(i)與從規範模式部1輸出的模式輸入uM(i)予以相加，並將兩者的和當作是控制輸入u(i)而予以輸出至控制 對象4。然後，利用控制輸入u(i)來驅動附屬於控制對象4之馬達，使控制對象4的控制輸出y(i)與目標值r(i)一致。如此，控制對象4就會追隨目標值而進行希望的動作。
接下來，針對規範模式部1的各構成元素的動作進行詳細的說明。首先，詳細說明目標值記憶部15的動作。於目標值記憶部15係輸入有目標值r(i)，且將目標值r(i)記憶保持預定的時間，然後將記憶保持的一個或複數個過去的目標值與現在輸入的目標值r(i)一起作成目標值向量rvec(i)並予以輸出至模式控制器決定部11及模式控制器12。
目標值記憶部15具備有一至P個目標值記憶體(memory)151(P>M)，且將輸入至目標值記憶部15之目標值r(i)予以輸入至該等目標值記憶體151，目標值記憶體151分別記憶保持1~M步驟之間之目標值r(i)。此時，係將M×Ts時間之間輸入的所有目標值予以記憶保持住。其中，Ts為一取樣(sampling)時間。亦即，假設現在的目標值為r(i)，則目標值記憶體151分別記憶保持r(i)、r(i-1)…r(i-M-1)之值1步驟的時間。其中，r(i-1)表示1步驟前(現在時刻的一取樣時間Ts前的時刻)之目標值，r(i-2)表示2步驟前之目標值。而且，1步驟數相當於取樣時間Ts，將目標值r(i)記憶達M步驟，係對應於將目標值r(i)記憶保持達M×Ts時間。然後，將從目標值記憶體151輸出之過去的目標值r(i-1)…r(i-M)與現在的目標值r(i)同時匯聚在一塊而輸出如式(1)所示之目標值向量rvec(i)。
以下，為了簡化說明，而針對：使用1步驟前之模式輸入uM(i-1)作為過去模式輸入uM’(i)，且目標值記憶體151係具備可記憶保持2步驟期間的目標值之個數(亦即M=2)之情況進行說明。然而，此只是一例，並不限定於只使用1步驟前之模式輸入來作為過去模式輸入，以及目標值記憶體151並不限於具備只能記憶保持2步驟期間的目標值之個數。
數學模式14，係根據輸進來的模式輸入uM(i)，利用以下之式(2)所示之離散時間狀態方程式，來計算出下一步驟之狀態變數xM(i+1)及模式輸出yM(i)。
xM(i+1)=A xM(i)+B uM(i) yM(i)=C xM(i)+D uM(i)………(2)
其中，
分別為表示在第i步驟之數學模式14的狀態變數xM(i)、模式輸入uM(i)、模式輸出yM(i)之數值向量，n為狀態數，m為輸出數。
以及，
係表現數學模式14的特性之矩陣。而且，上述式(4)中所示之A、B、C、D係決定成可表現數學模式14的特性 者。不過，數學模式14並無需表現控制對象4的全部特性，只要模擬使控制輸出y(i)高速且高精度追隨目標值r(i)所需的特性即可。
接著，針對數學模式14的一個例子進行說明。第2圖係顯示本發明實施形態1之馬達控制裝置100的數學模式14的一例之二慣性系模式之圖。
控制對象4具有複數個共振/***振之特性時，可考慮將如第2圖所示之馬達係透過彈簧等的彈性體而驅動機械負載之二慣性系模式設為數學模式14，來模擬頻率最低之共振/***振特性之情形。在本實施形態之馬達控制裝置100中，係藉由在數學模式14使用二慣性系模式之類之具有共振/***振之振動的模式，而可得到振動抑制效果高，且高速、高精度之馬達控制裝置。此處，假設可利用檢測器5來計測附屬於控制對象4之馬達的位置、速度。藉由如此之以振動的機械系統來將數學模式14予以模式化，就可產生不會引發振動之模式輸入。
第2圖之二慣性系模式之連續系統的狀態方程式，可用以下之式(5)及式(6)來加以表現。
其中，pM表示馬達的位置(旋轉角度)，ω M表示馬達的旋轉速度，pL表示機械負載的位置，ω L表示機械負載的速度，JM表示馬達的慣性矩(moment)，JL表示機械負載的慣性矩，TM表示馬達轉矩(motor torque)，km表示彈簧常數，cm表示黏性係數，yM表示連續系統的模式輸出，d/dt表示與時間相關之微分。彈簧常數km可決定成使用以下之式(7)及式(8)計算出之模式共振頻率ω p及模式***振頻率ω z與控制對象4的最低頻率的共振頻率/***振頻率一致者。如此決定，二慣性系模式就可模擬控制對象4的特性。
實際上，由於數學模式14係為如同式(2)所表示之離散時間狀態方程式，所以將式(5)及式(6)予以離散化來求出離散時間狀態方程式，並以之作為數學模式14。從如式 (5)及式(6)所示的線性連續時間狀態方程式來計算出如式(2)所示的線性離散時間狀態方程式之方式，雖存在有幾個方式，但其中一個方式，係使用以下所示之式(9)、式(10)、式(11)、式(12)來計算之方式。
D=Dc、 Dc =0………(12)
其中，eAcTs 、eAc(Ts-τ) 分別表示AcTs、Ac(Ts-τ)的指數函數，Ts表示取樣時間。此外，如本實施形態之使用以式(5)及式(6)表示之二慣性系模式來作為數學模式14之情況，第1圖中所示之狀態變數xM(i)，會成為如以下之式(13)所示之在各步驟的馬達的位置pM(i)、馬達的速度ω M(i)、機械負載的位置pL(i)、機械負載的速度ω L(i)，而模式輸入uM(i)會成為馬達轉矩TM(i)。又，本實施形態係假設馬達的位置pM(i)及馬達的速度ω M(i)可計測，因此模式輸出yM(i)會成為如式(13)所示之馬達的位置pM(i)、馬達的速度ω M(i)。
以上所說明的只是數學模式14的一個例子，數學模式14並不限於式(9)、式(10)、式(11)、式(12)，狀態變數xM(i)、模式輸入uM(i)、模式輸出yM(i)並不限於式(13)。
接著，針對規範模式部1中之模式控制器12的動作進行詳細的說明。動作說明中使用的模式控制器12的構成例顯示於第3圖中。
模式控制器12具備有模式子(sub-)控制器121及模式輸入變化量加法器122。模式控制器決定部11根據目標值向量rvec(i)、1步驟前的模式輸入uM(i-1)、及來自數學模式14的狀態變數xM(i)，而從預先設定的複數個候選之中決定出模式控制器。模式控制器決定部11所決定出的模式控制器輸入至模式子控制器121。模式子控制器121根據模式控制器決定部11所決定出的模式控制器，計算出使存在於狀態變數xM(i)中的模式輸出yM(i)追隨存在於目標值向量rvec(i)中的目標值r(i)之模式輸入變化量△uM(i)。然後，將計算出的模式輸入變化量△uM(i)予以輸出至模式輸入變化量加法器122。模式輸入變化量加法器122將從模式子控制器121輸出的模式輸入變化量△uM(i)與1步驟前的模式輸入uM(i-1)予以相加，然後將所得到的和輸出至模式輸入記憶體13、數學模式14、及模 式輸入加法器3。
接著，以模式子控制器121藉由將狀態回饋及偏移(offset)予以相加來計算出模式輸入變化量△uM(i)之情況為例進行說明。模式子控制器121藉由將狀態回饋及偏移予以相加來計算出模式輸入變化量△uM(i)之情況，模式子控制器121係根據目標值向量rvec(i)、1步驟前的模式輸入uM(i-1)及數學模式14的狀態變數xM(i)與模式增益(model gain)Ki之乘積、及模式偏移(model offset)Gi之相加來計算出模式輸入變化量△uM(i)。在此情況，模式子控制器121之演算，可用以下之式(14)、式(15)、式(16)來加以表示。
其中，vr(i)為目標值速度，ar(i)為目標值加速度，分別為相當於目標值r(i)的一次差分、二次差分之值。此外，Kri為目標值模式增益，Kvri為目標值速度模式增益，Kari為目標值加速度模式增益。雖亦有不需要模式偏移Gi之情況，但為了在後述的用途中使用而予以導入。模式增益Ki及模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari，係以後述之方式，分別預先設定複數個候選，然後由模式控制器決定部11從複數個候選之中 決定出一個，並將決定出值使用於式(14)。式(14)中，雖分離並標示與目標值r(i)有關之項，惟實際上只要從目標值r(i)與追隨目標值r(i)之狀態變數xM(i)的偏差來產生模式輸入變化量△uM(i)即可。另外，從目標值r(i)與追隨目標值r(i)之狀態變數xM(i)的偏差來產生模式輸入變化量△uM(i)之情況，目標值模式增益Kri係從模式增益Ki來自動決定出。
模式輸入變化量加法器122，係如以下之式(17)所示般將模式子控制器121輸出的模式輸入變化量△uM(i)與1步驟前模式輸入uM(i-1)予以相加，然後將所得到的和當作是模式輸入uM(i)而予以輸出至模式輸入記憶體13、數學模式14、及模式輸入加法器3。亦即，將模式輸入變化量△uM(i)予以累計來計算出模式輸入uM(i)。
uM(i)=uM(i-1)+△uM(i)………(17)
模式控制器12，係進行如上述之計算，在模式子控制器121暫時計算出模式輸入變化量△uM(i)，然後利用模式輸入變化量加法器122之動作將模式輸入變化量△uM(i)予以累計而輸出模式輸入uM(i)。如此，模式控制器決定部11及模式控制器12就可在模式輸入uM(i)之外，也知道模式輸入變化量△uM(i)之值，模式控制器決定部11就可以模式輸入uM(i)及模式輸入變化量△uM(i)都不會超過預定的值之方式，而從複數個候選之中決定出模式子控制器121。換言之，模式控制器決定部11即使是在為了使從數學模式14輸出的模式輸出yM(i)高速且高精度地追隨 目標值r(i)，或者為了使模式輸入變化量△uM(i)不超過預定的值，而將模式子控制器121切換為別的候選的控制器，也能夠以不發生模式輸入uM(i)的不連續之方式來計算出模式輸入uM(i)。
將前述的模式輸入變化量△uM(i)視作為新的輸入，且使模式輸入變化量加法器122及模式輸入記憶體13組合至數學模式14而成之離散時間狀態方程式，可用以下之式(18)加以表示。其中，I表示單位矩陣，0表示零矩陣，其行與列之數可適切地決定。
另外，除了式(18)之離散時間狀態方程式之外，亦考慮目標值記憶體15所記憶之目標值r(i)而得到之離散時間狀態方程式，可用以下之式(19)加以表示。
式(19)中，(i+1)為1步驟後的目標值預測值，(i+1)為1步驟後的目標值速度預測值，(i+1)為1步驟後的目標值加速度預測值。此外，式(19)中之vr(i)為目標值速度，ar(i)為目標值加速度，可分別依據式(15)、式(16)而使用目標值記憶部15所記憶的1步驟前目標值r(i-1)、2步驟前目標值r(i-2)來算出。又，式(19)係供模式控制器決定部11在計算出預先設定的複數個模式控制器12的候選、或模式子控制器121的候選時使用。
可將式(14)中使用的模式子控制器121的模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari設計成能夠讓使用式(19)之離散時間狀態方程式而計算出的模式輸出yM(i)追隨目標值r(i)者。
模式控制器12的具體的計算方法並不限於第3圖之構成所示者，亦可用各種構成來進行與上述等效之計算。亦即，藉由模式控制器12進行不僅根據目標值向量rvec(i)、數學模式14的狀態變數xM(i)，也根據屬於模式輸入記憶體13的輸出之1步驟前的模式輸入uM(i-1)之計算，就可做到與上述等效之計算，就可實現考慮到模式輸入變化量△uM(i)之演算。
接著，詳細說明模式控制器決定部11所做之模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之決定方法。
模式控制器決定部11，係根據目標值向量rvec(i)、狀態變數xM(i)、及1步驟前的模式輸入uM(i-1)，來從預 先設定的複數個候選之中決定出模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari。目標值模式增益Kri係如上述，係從模式增益Ki自動決定出者。在此，說明利用記述有目標值向量rvec(i)與狀態變數xM(i)、1步驟前的模式輸入uM(i-1)之間，以及目標值向量rvec(i)與模式增益Ki、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari之間的對應關係之增益對應圖(gain map)，以及記述有目標值向量rvec(i)與狀態變數xM(i)、1步驟前的模式輸入uM(i-1)之間，以及目標值向量rvec(i)與模式偏移Gi的對應關係之偏移對應圖(offset map)，來決定模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之方法。
可考慮以下所述者來作為增益對應圖及偏移對應圖。首先，就候選而言，準備可得到不會使控制輸出y(i)在目標值r(i)引發振動，且控制輸出y(i)會很快地追隨目標值r(i)之回應之模式增益Ka、模式偏移Ga、目標值速度模式增益Kvra、目標值加速度模式增益Kara，以及會得到雖不會使控制輸出y(i)在目標值r(i)引發振動，惟控制輸出y(i)會很慢追隨目標值r(i)之回應之模式增益Kb、模式偏移Gb、目標值速度模式增益Kvrb、目標值加速度模式增益Karb。然後，將{Ka,Kvra,Kara,Kb,Kvrb,Karb}保存於增益對應圖中，將{Ga,Gb}保存於偏移對應圖中。
就驅動產業用機械裝置之馬達控制裝置而言，在不引 發振動，使控制輸出y(i)快速追隨目標值r(i)上，必需要有大的控制輸入u(i)、或者大的模式輸入uM(i)、模式輸入變化量△uM(i)，若要使控制輸出y(i)相對於目標值r(i)之追隨變慢，則只要小的控制輸入u(i)、或者小的模式輸入uM(i)、模式輸入變化量△uM(i)即可。因此，模式控制器決定部11通常係以使控制輸出y(i)快速追隨目標值r(i)之方式而從增益對應圖中決定出{Ka,Kvra,Kara}，從偏移對應圖中決定出Ga，並予以輸出至模式控制器12。如果控制輸入u(i)、或者模式輸入uM(i)、模式輸入變化量△uM(i)可能會超過預定的值，則模式控制器決定部11從增益對應圖中決定出{Kb,Kvrb,Karb}，從偏移對應圖中決定出Gb，並予以輸出至模式控制器12。
如此，在控制輸入u(i)、模式輸入uM(i)、模式輸入變化量△uM(i)並未超過預定的值之情況，可得到控制輸出y(i)並不會在目標值r(i)引發振動且很快地追隨目標值r(i)之回應，而在控制輸入u(i)、模式輸入uM(i)、模式輸入變化量△uM(i)可能會超過預定的值之情況，得到雖然控制輸出y(i)對於目標值r(i)之追隨會變慢，但不會引發振動，且模式輸入uM(i)、模式輸入變化量△uM(i)不會超過預定的值之回應。各種增益及偏移之候選{Ka,Ga,Kvra,Kara},{Kb,Gb,Kvrb,Karb}的決定方式，可藉由對式(19)之離散時間狀態方程式施用極點配置法(pole-placement method)、迴路整形(loop shaping)等之控制系統設計法來加以設計，本實施形態並不特別加以限 定。另外，增益的組數也不限於控制輸出y(i)會快速地追隨目標值r(i)之增益及控制輸出y(i)會較慢地追隨目標值r(i)之增益這兩組，亦可為三組以上。
在按照上述的參考例之設計中，必須針對模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之數目、及各模式增益{Ka,Kb}、模式偏移{Ga,Gb}、目標值速度模式增益{Kvra,Kvrb}、目標值加速度模式增益{Kara,Kara}之設計，進行某程度的試誤，對於決定各增益之方式的詳細內容也必須另外設計。相對於此，藉由如以下所述般進行模式預測控制之應用，就可有系統地決定複數個模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之值及決定條件。
在模式預測控制中，已知有藉由離線(off-line)之最佳化計算來設計可切換增益及偏移的控制器之技術(參考資料：F.Borrelli：Constrained Optimal Control of Linear and Hybrid Systems,Springer Verlag,LNCIS 290(2003))。
在上述的參考資料中，提出一種一面利用模式預測控制，一面設計分段仿射(piecewise affine mapping)狀態的回饋控制系統，藉此一面滿足約束一面使某一評估函數最小化之方式，來作為不限定於馬達控制裝置之控制方法。此處，所謂的分段仿射狀態的回饋控制系統，係指根據所要控制的機械的狀態與增益的乘積、及所要控制的機械的 狀態與偏移的和來計算要施加於機械的輸入，且該增益及偏移可按照機械的狀態而切換之控制系統。然而，上述的參考資料，係在相當於本實施形態中的回饋控制器22之部分設計分段仿射狀態的回饋控制系統，所以必須對於全部的所要控制的機械的狀態進行計測或推估。因此，必須要有很多感測器(sensor)，或必須建立觀測器(observer)，並不實用。
不過，將該手法用來產生模式控制器12的預先設定的複數個候選，就可解決上述問題點。以下，說明模式預測控制所進行之增益對應圖及偏移對應圖的產生。
在藉由模式預測控制來設計控制器之際，必須決定出預測模式、控制約束、評估函數。接著，針對此預測模式、控制約束、評估函數進行說明。
首先，說明設計控制器之際所用的預測模式。在本實施形態中，由於不僅要考慮模式輸入變化量△uM(i)，也要考慮從目標值記憶部15輸出的過去的目標值r(i-1)、r(i-2)，故將式(19)所表示之離散時間狀態方程式設定為設計控制器之際使用的預測模式。
其次，說明控制約束。就本實施形態而言，係將在各步驟，模式輸入uM(i)及模式輸入變化量△uM(i)都不超過預定的值設為控制約束。亦即，要施加以下之式(20)所示之控制約束。
其中，uMmax表示模式輸入uM(i)的絕對值的最大值， △uMmax表示模式輸入變化量△uM(i)的絕對值的最大值。
最後，說明評估函數。就本實施形態而言，係將評估函數設為如以下之式(21)。
接下來，考慮計算使式(21)之評估函數最小化的模式輸入變化量△uM(i)之最小化問題(以下的式(22))。此處，假設(i)=r(i)，(i)=vr(i)，(i)=ar(i)。
其中，d為範數(norm)的次數，取d=1,2,∞之任一個值。N係稱為範圍(horizon)，係決定究竟要預測何種程度的未來之參數(parameter)，且為一個設計參數。Q,R,PN 為權重，亦為設計參數。式(22)中雖未表示狀態變數的終端約束集合(terminal constraint set)及模式輸入的終端約束集合，惟不使用這些終端約束集合一樣可得到本實施形態的效果。又，上述參考資料中揭示有，藉由適切地設定狀態變數的終端約束集合及模式輸入的終端約束集合，並藉由解決式(22)的問題所得之輸入可保證穩定性。因此，藉由使用狀態變數的終端約束集合及模式輸入的終端約束集合，也可在本實施形態之馬達控制裝置中防止模式輸入發散，導致動作變得不穩定之情形。
上述之使評估函數最小化之問題，在d=1,∞之情況，已知可藉由適當的變換與輔助變數之導入，且使用某矩陣G,W,E及某向量c,v，而使該問題歸結到如以下之式(23)之多變數線性規劃(multi-parametric linear programming)問題。
其中，xM(i)為在第i步驟之狀態變數，uM(i-1)為1步驟前的模式輸入，v由輸入例[△uM(i),△uM(i+1),…,△uM(i+N-1)]及輔助變數所構成。
解開式(23)之最小化問題，係求出複數個候選的模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari，此等增益係因應數學模式14的狀態變數xM(i)、1步驟前的模式輸入△uM(i-1)、目標 值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)，而從複數個候選之中決定出來。與此同時，也求出從複數個候選之中決定出模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari之決定條件Pi。使用求出的模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari、決定條件Pi，進行以下所示之式(24)、式(25)、式(26)之計算，就可計算出模式輸入uM(i)。
uM(i)=uM(i-1)+△uM(i)………(26)
換言之，自動設計出模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari的複數個候選，以及使數學模式14的狀態變數xM(i)、1步驟前的模式輸入uM(i-1)、目標值r(i)、目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)與模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari具有對應關係之決定條件Pi。而且，決定條件Pi可分為表示模式增益Ki、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari的複數個候選與決定條件之增益對應圖以及表示模式偏移Gi的複數個候選與決定條件之偏移對 應圖。
因此，模式控制器決定部11係具有預先求解式(22)或式(23)的最小化問題所得到的結果，亦即增益對應圖及偏移對應圖，且在各取樣時刻將數學模式14的狀態變數xM(i)及1步驟前的模式輸入uM(i-1)、目標值向量rvec(i)予以輸入，並藉由可從狀態變數xM(i)及1步驟前的模式輸入uM(i-1)、目標值向量rvec(i)取得的目標值r(i)、目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)來參照決定條件Pi，而決定出模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari。進而，將決定出的模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari輸出至模式控制器12。
然後，如上述，模式控制器12按照式(24)及式(26)，將數學模式14的狀態變數xM(i)及1步驟前的模式輸入uM(i-1)與模式增益Ki之乘積、目標值r(i)與目標值模式增益Kri之乘積、目標值速度vr(i)與目標值速度模式增益Kvri之乘積、目標值加速度ar(i)與目標值加速度模式增益Kari之乘積全部加總，然後根據加總得到的值與模式偏移Gi之和來計算出模式輸入uM(i)。
因為從式(22)或式(23)之最小化問題的結果會導出式(24)、式(25)、式(26)之模式輸入uM(i)及模式輸入變化量△uM(i)，所以會導出滿足最小化問題的控制約束(20)之模式輸入uM(i)及模式輸入變化量△uM(i)。亦即，在模式輸入uM(i)及模式輸入變化量△uM(i)的絕對值在成為 預定值以上之情況，會切換模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari。而且，記述了模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari的候選值以及切換此等值的條件之增益對應圖及偏移對應圖也會自動地計算出來。模式輸入uM(i)不會成為預定值以上，係意味著滿足控制輸入的控制約束，模式輸入變化量△uM(i)不會成為預定值以上，則意味著即使根據從決定條件Pi產生出的增益對應圖及偏移對應圖來變更模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari，模式輸入uM(i)也不會急遽地變化。
另外，因為求解式(22)及式(23)之最小化問題的結果，會導出模式偏移Gi，所以相較於只使用模式增益Ki、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari之情況，追加了模式偏移Gi之情況，在使式(21)之評估函數較小這層意義上較能實現可得到高速、高精度的回應之控制系統。
以下，接著說明依據上述的實施形態1所能得到的效果。
根據本實施形態之馬達控制裝置100，使用過去模式輸入uM’(i)而從預先設定的複數個候選中決定出模式控制器12，就可考慮模式輸入變化量△uM(i)、或控制輸入的變化而決定出模式控制器12。換言之，使用過去模式輸入uM’(i)，就可為了計算模式輸入uM(i)而將過去模式輸 入uM’(i)用作為新的輸入。結果，模式控制器決定部11適切地進行模式控制器12的決定，就可實現不僅使模式輸入uM(i)不會比預定的值大，也使模式輸入變化量△uM(i)不會比預定的值大，且控制輸出y(i)會快速且不會引發振動地追隨目標值r(i)之控制系統。亦即，能防止轉矩飽和(電流飽和)或轉矩變化率飽和，且防止與轉矩變化率飽和有密切的關係之電壓飽和，而得到高速高精度之馬達控制裝置。而且，就算為了提高控制性能而切換模式控制器12，也可防止模式輸入uM(i)急遽地變化。亦即，藉由以讓模式輸入比預定的值小之方式進行模式控制器之決定，可防止轉矩飽和之發生，藉由以讓模式輸入的變化量比預定的值小之方式進行模式控制器之決定，可防止電壓飽和之發生，且可減低切換模式控制器時之衝擊。
再者，將過去模式輸入uM’(i)回饋至模式控制器12，就可等效變換至以模式輸入變化量△uM(i)作為新的輸入之式(18)、式(19)之離散時間狀態方程式。藉此，就可在最小化問題(22)中考慮模式輸入變化量△uM(i)。
又，藉由目標值記憶部15來記憶r(i-1)、r(i-2)…，就可在模式輸入變化量△uM(i)之計算時也考慮目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)，就可設計出控制輸出y(i)會比未使用這些值之情況還快速追隨目標值r(i)之控制系統。亦即，不僅利用現在的目標值，也利用過去的目標值而切換模式控制器，來產生模式輸入而進行控制，可得到比只利用現在的目標值而切換模式控制器之情況更高回 應之馬達控制裝置。
再者，由於模式控制器決定部11係因應過去模式輸入uM’(i)、數學模式14的狀態變數xM(i)、目標值向量rvec(i)，來決定出模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari，因此可實現模式輸入uM(i)及模式輸入變化量△uM(i)不會超過預定的值，且能得到高速高精度的回應之馬達控制裝置。亦即，藉由除了模式增益之外，也利用偏移量係可得到高回應的馬達控制裝置。
此處，係使用目標值向量rvec(i)，而預先以離線(off-line)方式求出記載了模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、及目標值加速度模式增益Kari的各候選及決定條件之增益對應圖及偏移對應圖。在線(on-line)之計算僅進行參照增益對應圖及偏移對應圖而使用目標值向量rvec(i)，來決定模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri之式(25)之計算，以及按照式(24)、式(26)之求出模式輸入uM(i)之計算。藉由如此之預先規定增益對應圖及偏移對應圖，與在各步驟中計算式(22)之最小化問題然後進行模式輸入變化量△uM(i)之計算之在線型的模式預測控制相比，係可使計算時間縮短。因此可減少很多在線之計算量，而可使取樣時間變短，控制系統的性能也能夠更加提高。
又，就實施形態1而言，雖然在上面針對d=1,∞之情況進行了說明，惟在d=2之情況也只是式(23)之多變數 線性規劃問題變為多變數二次規劃問題，而就最小化問題的最佳解而言，一樣是使用數學模式14之狀態變數xM(i)、1步驟前的模式輸入uM(i-1)、目標值向量rvec(i)，來輸出記述有切換模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari所需的各增益的候選值及決定條件之對應表(map)Pi。
又，在上述的說明中，雖然針對模式控制器決定部11使用增益對應圖，來切換目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之情況，或使用增益對應圖及偏移對應圖，來決定目標值模式增益Kri、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之情況進行了說明，惟亦可使用以數學模式14之狀態變數xM(i)、目標值向量rvec(i)、過去模式輸入uM’(i)為變數之函數來決定模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari。
又，在上述的說明中，雖然使用式(20)來作為控制約束，但作為控制約束者並不限於此。具體而言，與數學模式14之狀態變數xM(i)、模式輸入uM(i)、模式輸入變化量△uM(i)有關之控制約束可為凸約束(convex constraint)。例如，可對於數學模式14之狀態變數xM(i)也施加控制約束。
又，在決定模式增益Ki、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari，或模式增益Ki、模式偏移 Gi、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之際，並不一定要全部使用數學模式14之狀態變數xM(i)、目標值向量rvec(i)、過去模式輸入uM’(i)，亦可只使用這些資訊的一部份。
如以上所述，以讓模式輸入成為比預定的值小之方式進行模式增益之決定或模式增益及模式偏移之決定，藉此可防止轉矩飽和之發生，且以讓模式輸入的變化量比預定的值小之方式進行模式增益之決定或模式增益及模式偏移之決定，藉此可防止電壓飽和之發生，且減低切換模式控制器時之衝擊。
又，在上述的說明中，雖使用1步驟前之模式輸入uM(i-1)來作為過去模式輸入uM’(i)，但並不一定限於1步驟前，利用例如複數步驟前的模式輸入來得到同樣的效果也很容易，將1步驟前的模式輸入以外的過去的模式輸入用作為過去模式輸入也可得到與本實施形態一樣的效果。
又，在上述的說明中雖使用目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)來產生模式輸入uM(i)，惟亦可不使用這些值來產生模式輸入uM(i)。亦即，亦可因應目標值向量rvec(i)、狀態變數xM(i)及1步驟前的模式輸入uM(i-1)來決定模式增益Ki、以及根據模式增益Ki而自動決定的目標值模式增益Kri，並使目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari恆為0，來計算式(14)、式(24)。以此方式亦可得到與實施形態1同樣的效果。
又，在上述的說明中，模式控制器12係包含模式子控制器121，且計算出模式輸入變化量△uM(i)，然後將模式輸入變化量△uM(i)與1步驟前之模式輸入uM(i-1)相加來計算出模式輸入uM(i)，惟在不需要考慮模式輸入變化量的控制約束|△uM(i)|<=△uMmax之情況，亦可不計算模式輸入變化量△uM(i)而直接計算出模式輸入uM(i)。亦即，亦可用以下所示之式(27)來計算模式輸入uM(i)。在此情況，係將式(22)之最小化問題變更為以下所示之式(28)之最小化問題，藉此得到記述有式(27)之模式增益Ki、模式偏移Gi、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari的決定條件之增益對應圖、偏移對應圖。亦即，藉由以使下述之評估函數最小化之方式產生增益對應圖及偏移對應圖，就可自動地得到適切的增益對應圖及偏移對應圖。
uM(i)=KixM(i)+Gi+Kri r(i)+Kvri vr(i)+Kari ar(i)………(27)
在如以上說明之實施形態1中，藉由如上述般構成馬 達控制裝置100，就可對於各種變化的目標值，以很少的計算量，自動地決定出不會使例如馬達的轉矩之給予控制對象4的控制輸入不連續之控制器的特性。藉此，就可一面約束給予控制對象4的控制輸入的絕對值或變化量，一面使控制輸出高速/高精度地追隨目標值。
實施形態2.
關於本發明實施形態2之馬達控制裝置200，將參照第4至第6圖來加以說明。在本實施形態中，也一樣為了簡化說明，而針對將1步驟前之模式輸入uM(i-1)使用作為過去模式輸入uM’(i)之情況進行說明。以及，針對目標值記憶體151係具備可記憶保持2步驟期間的目標值之個數(亦即M=2)之情況進行說明。然而，此並非限定於使用1步驟前之模式輸入來作為過去模式輸入，亦並非限定於目標值記憶體151係僅具備並可記憶保持2步驟期間的目標值之個數者。
如第4圖所示，本實施形態之馬達控制裝置200係輸入有與表示所驅動的機械的位置或速度之控制輸出y(i)相對之目標值r(i)、以及表示檢測器5所檢測出的馬達的位置或速度之控制對象4的控制輸出y(i)。然後，馬達控制裝置200將馬達的轉矩或電流等之控制輸入u(i)輸出至控制對象4，以使來自檢測器5之控制輸出y(i)追隨目標值r(i)。
如第4圖所示，本實施形態之馬達控制裝置200係由規範模式部1A、回饋控制部2及模式輸入加法器3所構 成。馬達控制裝置200係與由機械負載及驅動機械負載之旋轉型馬達或線性(linear)馬達等的馬達所構成之控制對象4、及編碼器等之檢測器5相連接。回饋控制部2、模式輸入加法器3、控制對象4及檢測器5的構成皆與上述之實施形態1相同，故將其說明予以省略。
目標值r(i)輸入至規範模式部1A，規範模式部1A將表示控制對象4的理想的動作波形之模式輸出yM(i)輸出至回饋控制部2。此外，規範模式部1A將用來驅動控制對象4之模式輸入uM(i)輸出至模式輸入加法器3，以使檢測器5所輸出的控制輸出y(i)追隨目標值r(i)。
另外，規範模式部1A具有：將目標值r(i)記憶保持預定的時間，然後將記憶保持的一個或複數個過去的目標值與輸入的現在的目標值r(i)一起作成目標值向量rvec(i)並予以輸出之目標值記憶部15；從預先設定的複數個候選之中決定出模式控制器之模式控制器決定部11A；使模式輸出yM(i)追隨目標值r(i)之模式控制器12；記憶模式輸入uM(i)之模式輸入記憶體13；以及模擬控制對象4的特性之數學模式14。此處，模式控制器12、模式輸入記憶體13及數學模式14、目標值記憶部15的動作皆與上述實施形態1相同，故將其說明予以省略。
在本實施形態之馬達控制裝置200中，模式控制器決定部11A的動作與實施形態1之馬達控制裝置100的模式控制器決定部11不同。亦即，在本實施形態中係由模式控制器決定部11A來決定以極點配置等預先設計出來的複數 個候選。
在本實施形態中，模式控制器決定部11A以目標值向量rvec(i)、1步驟前模式輸入uM(i-1)、數學模式14的狀態變數xM(i)作為其輸入，且以模式輸入uM(i)、模式輸入變化量△uM(i)的值不會超過預定的值之方式，從預先設計的複數個模式增益Ki、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之中決定出一組增益，並將這組增益輸出至模式控制器12。另外，在本實施形態中，係假設模式控制器決定部11A恆將模式偏移Gi決定為0。藉由預先決定出複數個候選的模式增益Ki、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari，就可減低在線的計算量，也可使取樣時間變短。此外，在本實施形態中，亦在從目標值r(i)與追隨目標值r(i)之狀態變數xM(i)的偏差來產生模式輸入變化量△uM(i)時，目標值模式增益Kri係從模式增益Ki來自動決定出。
接著，說明模式控制器決定部11A所做之決定模式增益Ki、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之方法。在模式增益Ki、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之決定上，係採用最大輸出容許集合(maximal output admissible set)0∞i。所謂的最大輸出容許集合0∞i，係將控制系統(閉迴路系統)不會違反控制約束之條件予以匯集起來而成的集合，其計算方法記載於『平田、藤田、「相對於具有外部輸入的線性離散 時間系統(system)之約束條件的分析」、電機學會C、118-3、384/390-、1998』中。本實施形態在控制約束方面，係與實施形態1相同，考慮式(20)中記述的模式輸入uM(i)與模式輸入變化量△uM(i)的值不會超過預定的值之約束。首先，針對此最大輸出容許集合0∞i進行說明。
本實施形態也與實施形態1一樣，馬達控制裝置200具備有目標值記憶體15，且規範模式部1A中包含的模式控制部12係如第3圖所示將1步驟前的模式輸入uM(i-1)回饋至模式子控制器121，且利用模式輸入變化量加法器122將模式輸入變化量△uM(i)與1步驟前的模式輸入uM(i-1)予以相加來產生出模式輸入uM(i)。因此，將目標值記憶體15、模式輸入記憶體13、數學模式14、及模式輸入變化量加法器122合在一起，而考慮式(19)所表示之離散時間狀態方程式。
另外，將預先設計的模式增益Ki、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari的一個候選分別表示成K1、Kr1、Kvr1、Kar1。以下考慮：使用此等增益，由模式子控制器121利用式(27)，而如以下之式(29)般從數學模式14的狀態變數xM(i)及1步驟前的模式輸入uM(i-1)、目標值r(i)、目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)來計算出模式輸入變化量△uM(i)。
此處，因為本實施形態中，模式控制器決定部11A恆將模式偏移Gi決定為0，所以在式(29)中將模式偏移Gi之項予以去除掉。
將式(29)代入式(19)，得到以下所示之式(30)。
式(30)係表示規範模式部1A的閉迴路系統。假設i步驟時的數學模式14的狀態變數xM(i)決定了的話，i步驟時以後的目標值預測值(i+1),(i+2)…與目標值r(i+1),r(i+2)…會相等，目標值速度預測值(i+1),(i+2)…與目標值速度vr(i+1),vr(i+2)…會相等，目標值加速度預測值(i+1),(i+2)…與目標值加速度ar(i+1),ar(i+2)…會相等，亦即假設以下的式(31)會成立
重複計算式(30)，就可計算出i步驟以後之數學模式14的狀態變數xM(i+1)(1>0)、模式輸入uM(i+1)(1>0)、目標值r(i+1)(1>0)、目標值速度vr(i+1)(1>0)、目標值加速度ar(i+1)(1>0)。因為可計算出各步驟之數學模式14 的狀態變數xM(i)、模式輸入uM(i)、目標值r(i)、目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)，所以也可用式(29)來計算出各步驟之模式輸入變化量△uM(i+1)1>0。因此，只要決定出模式增益K1、目標值速度模式增益Kvr1、目標值加速度模式增益Kar1以及i步驟時之數學模式14的狀態變數xM(i)、1步驟前的模式輸入uM(i-1)、目標值r(i)、目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)的話，就可事前計算出是否滿足式(20)之控制約束。
因而，相反的在已給予式(20)之控制約束、模式增益K1、目標值速度模式增益Kvr1、目標值加速度模式增益Kar1時，也可計算出不會違反約束條件之數學模式14的狀態變數xM(i)、模式輸入uM(i)、目標值r(i)、目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)。如上述，將不違反該控制約束之條件稱為最大輸出容許集合0∞i。
第5圖係顯示本發明實施形態2之馬達控制裝置200的最大輸出容許集合0∞i之例之圖。
第5圖中，縱軸表示數學模式14的狀態變數xM(i)’橫軸表示目標值r(i)。多角形的內部表示最大輸出容許集合0∞i。實際上，目標值速度vr(i)及目標值加速度ar(i)也是構成最大輸出容許集合0∞i之要素，應該加到第5圖之軸，但在第5圖中為了簡化說明將之予以省略。又，點A表示數學模式14之i步驟時的狀態變數xM(i)與目標值r(i)在最大輸出容許集合0∞i的內部之狀況，點B表示i步驟時的狀態變數xM(i)與目標值r(i)在最大輸出容 許集合0∞i之外之狀況。如點A之i步驟時的狀態變數xM(i)在最大輸出容許集合0∞i的內部之情況，即使在i步驟時以後也不會違反式(20)之控制約束。不過，如點B之i步驟時的狀態變數xM(i)在最大輸出容許集合0∞i之外之情況，即使在例如i步驟時滿足式(20)之控制約束，也一定會在i步驟時以後的其中一個時點違反式(20)之控制約束。
接著，說明模式控制器決定部11A利用最大輸出容許集合0∞i來決定模式增益Ki、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之方法。此處，係利用第6圖來說明有3組模式增益、目標值模式增益、目標值速度模式增益、目標值加速度模式增益之情況。第6圖係顯示本發明實施形態2之馬達控制裝置200的動作例之圖。當然，並不限定於如本實施形態之3組模式增益、目標值模式增益、目標值速度模式增益、目標值加速度模式增益之情況等。
第6圖係表示預先設計3組模式增益、目標值模式增益、目標值速度模式增益、目標值加速度模式增益{K1,Kr1,Kvr1,Kar1}、{K2,Kr2,Kvr2,Kar2}、{K3,Kr3,Kvr3,Kar3}，且使用各組增益來計算最大輸出容許集合0∞1,0∞2,0∞3之狀況。在第6圖中，縱軸表示數學模式14的狀態變數xM(i)，橫軸表示目標值r(i)。在本實施形態中，係假設{K1,Kr1,Kvr1,Kar1}為使控制輸出y(i)最快速追隨目標值r(i)之增益，{K3,Kr3,Kvr3,Kar3}為使控 制輸出y(i)最慢追隨目標值r(i)之增益。以及，假設{K2,Kr2,Kvr2,Kar2}為比{K1,Kr1,Kvr1,Kar1}慢，但比{K3,Kr3,Kvr3,Kar3}快速地使控制輸出y(i)追隨目標值r(i)之增益。最大輸出容許集合0∞i，係依存於增益{Ki,Kri,Kvri,Kari}，因此，使用不同的增益而分別得出之最大輸出容許集合0∞1,0∞2,0∞3係如第6圖所示互不相同。
例如，假設數學模式14的狀態變數xM(i)、目標值r(i)在點A。點A係在最大輸出容許集合0∞3的內部，但在最大輸出容許集合0∞1及0∞2之外，因此雖然使用{K3,Kr3,Kvr3,Kar3}之情況並未違反式(20)之控制約束，惟使用增益{K2,Kr2,Kvr2,Kar2}、{K1,Kr1,Kvr1,Kar1}的話，則會在某一時刻違反式(20)之控制約束。因此，模式控制器決定部11A決定使用不會違反式(20)之約束之增益{K3,Kr3,Kvr3,Kar3}，並將選出的該組增益輸出至模式控制器12。
接著，假設數學模式14的狀態變數xM(i)、目標值r(i)遷移到點B。點B係在最大輸出容許集合0∞3及0∞2的內部，但在最大輸出容許集合0∞1之外，因此使用增益{K2,Kr2,Kvr2,Kar2}、{K3,Kr3,Kvr3,Kar3}之情況，並不會違反式(20)之控制約束，但使用增益{K1,Kr1,Kvr1,Kar1}之情況，則會在某一時刻違反式(20)之控制約束。如此，有複數個不會違反式(20)之控制約束之增益存在的情況，模式控制器決定部11A係決定一個使控制輸出y(i)最快追隨目標值r(i)之增益。換言之，在本情況因為增益{K2, Kr2,Kvr2,Kar2}比增益{K3,Kr3,Kvr3,Kar3}還要快使控制輸出y(i)追隨目標值r(i)，所以模式控制器決定部11A決定使用增益{K2,Kr2,Kvr2,Kar2}，並將之輸出至模式控制器12。
然後，假設數學模式14的狀態變數xM(i)、目標值r(i)遷移到點C。點C係在最大輸出容許集合0∞1,0∞2,0∞3的內部，所以不論使用增益{K1,Kr1,Kvr1,Kar1}、{K2,Kr2,Kvr2,Kar2}、{K3,Kr3,Kvr3,Kar3}之哪一個，都不會違反式(20)之控制約束。因此，模式控制器決定部11A從其中決定出一個使控制輸出y(i)最快追隨目標值r(i)之增益{K1,Kr1,Kvr1,Kar1}，並將之輸出至模式控制器12。
歸納上述的動作，模式控制器決定部11A係進行以下三個動作。
1.針對事先設計的模式增益Ki、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari(i=1,…,Z)，預先計算出最大輸出容許集合0∞i(i=1,…,Z)。此處，Z係經過設計的增益的數目。
2.取得目標值向量rvec(i)、數學模式14的狀態變數xM(i)、1步驟前的模式輸入uM(i-1)，然後判定現在的值係在使用各增益{Ki,Kri,Kvri,Kari}而作成的最大輸出容許集合0∞i之內或之外。亦即，就使用各增益{Ki,Kri,Kvri,Kari}之情況，判定是否違反控制約束。
3.然後，決定出不會違反控制約束之增益{Ki,Kri, Kvri,Kari}，並將之輸出至模式控制器12。若並不違反控制約束之增益{Ki,Kri,Kvri,Kari}有複數個，則從中決定出使控制輸出y(i)最快追隨目標值r(i)之增益。
然後，模式子控制器121使用從模式控制器決定部11A輸出之模式增益Ki、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari，套用式(14)來計算出模式輸入變化量△uM(i)，並將之輸出至模式輸入變化量加法器122。如上所述，本實施形態係假設在式(14)中，模式偏移Gi為0。模式輸入變化量加法器122係使用式(17)而將1步驟前的模式輸入uM(i-1)與模式輸入變化量△uM(i)予以相加，然後將所得到的和當作是模式輸入uM(i)而予以輸出至模式輸入記憶體13、數學模式14及模式輸入加法器3。數學模式14將狀態變數xM(i)及模式輸入uM(i)代入式(2)，來計算出模式輸出yM(i)及下一步驟之狀態變數xM(i+1)，並將下一步驟之狀態變數xM(i+1)輸出至模式控制器決定部11A及模式控制器12，並將模式輸出yM(i)輸出至回饋控制部2。模式輸入記憶體13在1步驟期間將模式輸入uM(i)記憶起來。
重複進行上述的動作，規範模式部1A產生出模式輸出yM(i)及模式輸入uM(i)。
以下，接著說明依據上述的實施形態2所能得到的效果。
根據本實施形態之馬達控制裝置200，與上述之實施形態1一樣，使用1步驟前的模式輸入uM(i-1)來產生模 式輸入uM(i)，所以可將模式輸入變化量△uM(i)用作為新的輸入。結果，就可容易地實現不僅使模式輸入uM(i)不會比某一預定的值大，也使模式輸入變化量△uM(i)不會比某一預定的值大之馬達控制裝置。亦即，可在防止轉矩飽和或轉矩變化率飽和，進而防止與轉矩變化率飽和有密切的關係之電壓飽和的同時，而得到高速高精度之馬達控制裝置。而且，就算切換模式增益、目標值模式增益、目標值速度模式增益、目標值加速度模式增益，也可防止模式輸入uM(i)急遽地變化。亦即，藉由以讓模式輸入比預定的值小之方式進行模式控制器之決定，可防止轉矩飽和之發生，且藉由以讓模式輸入的變化量比預定的值小之方式進行模式控制器之決定，可防止電壓飽和之發生，且可減低切換模式控制器時之衝擊。
再者，在本實施形態中，模式輸入uM(i)之計算僅為模式增益Ki、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之決定，以及數學模式14之狀態變數xM(i)、目標值r(i)、目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)與各增益之相乘而已。因此，可縮短計算時間，而可使取樣時間也變短。
又，藉由目標值記憶部15來記憶r(i-1)、r(i-2)…，就可在模式輸入變化量△uM(i)之計算時也考慮目標值速度vr(i)、目標值加速度ar(i)，就可設計出控制輸出y(i)會比未使用這些值之情況還快速追隨目標值r(i)之控制系統。
再者，在本實施形態中，雖與上述之實施形態1一樣，使用1步驟前的模式輸入來作為過去模式輸入，惟並不一定限於1步驟前，利用例如複數步驟前的模式輸入來得到同樣的效果也很容易，且將1步驟前的模式輸入以外的過去的模式輸入用作為過去模式輸入也可得到與本實施形態一樣的效果。
實施形態3.
關於本發明實施形態3之馬達控制裝置300，將參照第7至第10圖來加以說明。在本實施形態中，也一樣針對將1步驟前的模式輸入uM(i-1)使用作為過去模式輸入uM’(i-1)，且目標值記憶體151係具備可記憶保持2步驟期間的目標值之個數(亦即M=2)之情況進行說明。然而，此並非限定於只使用1步驟前之模式輸入來作為過去模式輸入，以及目標值記憶體151係具備只能記憶保持2步驟期間的目標值之個數者。
本實施形態中，雖與實施形態2一樣使用最大輸出容許集合0∞i來進行模式控制器之決定，惟與實施形態2不同之點在於，相對於實施形態2之切換模式增益Ki、目標值模式增益Kri、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari之做法，本實施形態中切換的是控制器的構造本身。
本實施形態之馬達控制裝置300，係以與表示所驅動的機械的位置或速度、或相對於馬達的位置或速度之檢測器5所檢測出的控制輸出y(i)之目標值r(i)、以及控制輸 出y(i)作為其輸入，而輸出要給予控制對象4之馬達的轉矩或電流等之控制輸入u(i)，以使控制輸出y(i)追隨目標值r(i)。
如第7圖所示，本實施形態之馬達控制裝置300係由規範模式部1B、回饋控制部2及模式輸入加法器3所構成，且馬達控制裝置300係與由機械負載及驅動機械負載之旋轉型馬達或線性(linear)馬達等的馬達所構成之控制對象4、及編碼器等之檢測器5相連接。目標值記憶部15、回饋控制部2、模式輸入加法器3、控制對象4及檢測器5的構成皆與上述之實施形態1,2相同，故將其說明予以省略。
目標值r(i)輸入至規範模式部1B，規範模式部1B將表示控制對象4的理想的動作之模式輸出yM(i)輸出至回饋控制部2，以及將用來驅動控制對象4之模式輸入uM(i)輸出至模式輸入加法器3，以使從檢測器5輸出的控制輸出y(i)追隨目標值r(i)。
規範模式部1B具有：將目標值r(i)記憶保持預定的時間，然後將記憶保持的一個或複數個過去的目標值與輸入的現在的目標值r(i)一起輸出作為目標值向量rvec(i)之目標值記憶部15；從預先設定的複數個候選之中決定出模式控制器12之模式控制器決定部11B；使模式輸出yM(i)追隨目標值向量rvec(i)內所包含的目標值r(i)之模式控制器12；記憶模式輸入uM(i)之模式輸入記憶體13；以及模擬控制對象4的特性之數學模式14。此處，模式控制器 12、模式輸入記憶體13及數學模式14、目標值記憶部15的動作皆與上述實施形態1,2相同，故將其說明予以省略。
本實施形態與實施形態1及2之馬達控制裝置100及200之差異係在於模式控制器決定部11B的動作，在此說明本實施形態中藉由模式控制器決定部11B來決定以極點配置等預先設計出來的複數個候選之方法。
以下，在本實施形態中，為了簡化說明，考慮的是組合目標值記憶部15、數學模式14、模式輸入變化量加法器122與模式輸入記憶體13而得到之以式(19)表示的離散時間狀態方程式。而且針對預先設計有第8至10圖表示的三個模式子控制器121C,121D,121E之情況進行說明。不過，並不限於如本實施形態之在模式子控制器方面使用三個模式子控制器121C,121D,121E之形態。
第8圖之模式子控制器121C係以目標值r(i)、1步驟前之目標值r(i-1)、2步驟前之目標值r(i-2)、數學模式14的狀態變數xM(i)及1步驟前之模式輸入uM(i-1)作為其輸入，然後將模式輸入變化量△uM(i)輸出至模式輸入變化量加法器122。
模式子控制器121C具備有：以目標值r(i)及狀態變數xM(i)作為其輸入，而輸出屬於兩者的差之模式偏差eM(i)之模式減法器1215C；計算從模式減法器1215C輸出的模式偏差eM(i)與模式偏差增益Kei之乘積，並予以輸出至加法器1218C之模式偏差增益乘法器1211C；以目標值r(i)及1步驟前之目標值r(i-1)作為其輸入，並使用式 (15)而計算出目標值速度vr(i)，並予以輸出至目標值速度模式增益乘法器1212C之目標值速度產生器1216C；以及輸入從目標值速度產生器1216C輸出的目標值速度vr(i)，將此值與目標值速度模式增益Kvri相乘，並將其乘積予以輸出至加法器1218C之目標值速度模式增益乘法器1212C。
此外，模式子控制器121C具備有：輸入目標值r(i)、1步驟前之目標值r(i-1)、2步驟前之目標值r(i-2)，並使用式(16)而計算出目標值加速度ar(i)，並予以輸出至目標值加速度模式增益乘法器1213C之目標值加速度產生器1217C；輸入從目標值加速度產生器1217C輸出的目標值加速度ar(i)，將此值與目標值加速度模式增益Kari相乘，然後將乘積予以輸出至加法器1218C之目標值加速度模式增益乘法器1213C；以及輸入1步驟前之模式輸入uM(i-1)，計算所輸入的值與1步驟前之模式輸入增益Kui之乘積，並將計算結果輸出至加法器1218C之1步驟前模式輸入增益乘法器1214C。
另外，模式子控制器121C還具備有：將模式偏差增益乘法器1211C之輸出、目標值速度模式增益乘法器1212C之輸出、目標值加速度模式增益乘法器1213C之輸出、1步驟前模式輸入增益乘法器1214C之輸出全部加起來，並將其和當作是模式輸入變化量△uM(i)而予以輸出之加法器1218C。
第9圖之模式子控制器121D係輸入目標值r(i)、1 步驟前之目標值r(i-1)、2步驟前之目標值r(i-2)、數學模式14的狀態變數xM(i)及1步驟前之模式輸入uM(i-1)，然後將模式輸入變化量△uM(i)輸出至模式輸入變化量加法器122。
第9圖之模式子控制器121D與第8圖之模式子控制器121C之差異在於，使用累計值記憶體1212D來記憶累計值xc(i)，並藉由將記憶的累計值xc(i)與模式偏差eM(i)相加來追加積分動作。模式子控制器121D中使用了與模式子控制器121C中也有使用之模式偏差增益乘法器1211C、目標值速度模式增益乘法器1212C、目標值加速度模式增益乘法器1213C、1步驟前模式輸入增益乘法器1214C、模式減法器1215C、目標值速度產生器1216C、目標值加速度產生器1217C，將該等元件之說明係予以省略。
除了該等元件之外，模式子控制器121D的構成中還追加有：將模式偏差eM(i)與1步驟前累計值xc(i-1)相加，然後將相加的和當作是累計值xc(i)而將之輸出至模式偏差積分增益乘法器1211D及累計值記憶體1212D之累計值加法器1213D；輸入累計值xc(i)，且將之記憶1取樣時間，然後在1取樣時間後將記憶的值當作是1步驟前累計值xc(i-1)而予以輸出至累計值加法器1213D之累計值記憶體1212D；將累計值xc(i)乘以模式偏差積分增益Kxii及模式子控制器121D的取樣時間Ts，並將所得的乘積輸出至加法器1214D之模式偏差積分增益乘法器1211D；以及將模式偏差增益乘法器1211C、目標值速度模式增益乘法 器1212C、目標值加速度模式增益乘法器1213C、1步驟前模式輸入增益乘法器1214C、及模式偏差積分增益乘法器1211D所輸出之值全部加起來，並將所得到的和當作是模式輸入變化量△uM(i)而予以輸出至模式輸入變化量加法器122之加法器1214D。
第10圖之模式子控制器121E係輸入目標值r(i)、1步驟前之目標值r(i-1)、2步驟前之目標值r(i-2)、數學模式14的狀態變數xM(i)及1步驟前之模式輸入uM(i-1)，且將模式輸入變化量△uM(i)輸出至模式輸入變化量加法器122。
第10圖之模式子控制器121E與第8圖之模式子控制器121C及第9圖之模式子控制器121D之差異在於，使用狀態變數記憶體1212E來在模式子控制器121E追加微分動作。模式子控制器121E具備有模式子控制器121C中也有使用到之模式偏差增益乘法器1211C、目標值速度模式增益乘法器1212C、目標值加速度模式增益乘法器1213C、1步驟前模式輸入增益乘法器1214C、模式減法器1215C、目標值速度產生器1216C、目標值加速度產生器1217C。此外還具備有模式控制器121D中也有使用到之模式偏差積分增益乘法器1211D、累計值記憶體1212D、累計值加法器1213D。與此等元件有關之說明係如上述故予以省略。
除了該等元件之外，模式子控制器121E還具備有：輸入狀態變數xM(i)，且將所輸入之值記憶1取樣時間，然後在1取樣時間後，將記憶的值當作是1步驟前的狀態 變數xM(i-1)而予以輸出至狀態變數微分減法器1213E之狀態變數記憶體1212E；輸入從狀態變數記憶體1212E輸出之1步驟前的狀態變數xM(i-1)及狀態變數xM(i)，且從狀態變數xM(i)減去所輸入之值，然後將兩者的差輸出至狀態變數微分增益乘法器1211E之狀態變數微分減法器1213E；將從狀態變數微分減法器1213E輸出之值除以1取樣時間Ts，再乘以狀態變數微分增益KxDi，然後將計算結果輸出至加法器1214E之狀態變數微分增益乘法器1211E；將模式偏差增益乘法器1211C、目標值速度模式增益乘法器1212C、目標值加速度模式增益乘法器1213C、1步驟前模式輸入增益乘法器1214C、模式偏差積分增益乘法器1211D、狀態變數微分增益乘法器1211E所輸出之值全部加起來，並將所得到的和當作是模式輸入變化量△uM(i)而予以輸出至模式輸入變化量加法器122之加法器1214E。
本實施形態與實施形態2不同，係藉由使用累計值記憶體1212D來追加積分動作至模式子控制器121D，並藉由使用狀態變數記憶體1212E來追加微分動作至模式子控制器121E，而成為不僅可切換增益亦可切換控制器的構成。本實施形態中，雖為了簡化符號，而在第8至10圖所示之模式子控制器121C、121D、121E中，以相同的符號來標記模式偏差增益Kei、目標值速度模式增益Kvri、目標值加速度模式增益Kari、1步驟前模式輸入增益Kui，惟此等增益的數值係可隨著各個模式子控制器121C、121D、121E 而有不同。另外，在模式子控制器121D、121E中，雖亦以相同的符號來標記模式偏差積分增益Kxii，惟模式子控制器121D及121E中之此等增益的數值亦為可互不相同者。
接著，說明模式控制器決定部11B的動作。模式控制器決定部11B，係根據目標值向量rvec(i)、數學模式14的狀態變數xM(i)、1步驟前模式輸入uM(i-1)，而從預先設計的複數個候選的控制器之中決定一個不會讓模式輸入uM(i)及模式輸入變化量△uM(i)超過預定的值之控制器。藉由預先設定複數個候選的控制器，就可減少在線上的計算量，而可使取樣時間也變短。
本實施形態與實施形態2一樣，模式控制器決定部11B使用最大輸出容許集合0∞i來進行模式控制器12之決定。為了計算出最大輸出容許集合0∞i，必須計算如實施形態2中之式(30)所表示之規範模式部1B的閉迴路系統。
首先計算使用第8圖之模式控制器12C之情況的閉迴路系統。使用第8圖之模式子控制器121C之情況的模式輸入變化量△uM(i)係用以下之式(32)加以計算。
因此藉由將式(32)代入式(19)，係藉由以下式(33)來表示使用模式控制器12C之情況的閉迴路系統。
以同樣方式計算使用第9及10圖之模式控制器12D、12E之情況的閉迴路系統。使用第9圖之模式控制器12D之情況，從模式子控制器121D輸出之模式輸入變化量△uM(i)係用以下之式(34)、(35)加以計算。
xc(i+1)=xc(i)+r(i)-xM(i)………(35)
因此藉由將式(34)、(35)代入式(19)，係藉由以下式(36)來表示使用模式控制器12D之情況的閉迴路系統。
再者，使用第10圖之模式控制器12E之情況，從模式子控制器121E輸出之模式輸入變化量△uM(i)係用以下之式(37)加以計算。
因此藉由將式(35)、(37)代入式(19)，係藉由以下式(38)來表示使用模式控制器12E之情況的閉迴路系統。
因為(33)、(36)、(38)分別為與式(30)相同形式的式子，所以可用與實施形態2一樣的方法，來計算最大輸出容許集合0∞i。模式控制器決定部11B使用最大輸出容許集合0∞i，來選擇不會違反屬於控制約束之式(20)，且使控制輸出y(i)最快速追隨目標值(i)之控制器，就可得到不會違反上述控制約束且追隨速度很快之控制系統。使用最大輸出容許集合0∞i而由模式控制器決定部11B從預先設定的複數個候選之中決定出模式控制器12之方法與實施形態2中說明過的方法相同，故此處將其說明予以省略。
根據本實施形態之馬達控制裝置300，與上述之實施形態1及2一樣，使用1步驟前的模式輸入uM(i-1)來產生模式輸入uM(i)，所以可將模式輸入變化量△uM(i)用作為新的輸入。結果，就可容易地實現不僅使模式輸入uM(i) 不會比某一預定的值大，也使模式輸入變化量△uM(i)不會比某一預定的值大之控制系統。亦即，可防止轉矩飽和或轉矩變化率飽和，進而防止與轉矩變化率飽和有密切的關係之電壓飽和，並得到高速高精度之馬達控制裝置。而且，就算模式控制器決定部決定出不同的模式控制器，來計算模式輸入uM(i)，也可防止模式輸入uM(i)急遽地變化。
再者，在本實施形態中，模式輸入uM(i)之計算僅為模式控制器之決定，以及數學模式14之狀態變數xM(i)與模式控制器之演算。因此，可縮短計算時間，而可使取樣時間也變短。
又，在本實施形態中，也與上述之實施形態1及2一樣，使用1步驟前的模式輸入來作為過去模式輸入，但並不一定限於1步驟前，利用例如複數步驟前的模式輸入來得到同樣的效果也很容易，將1步驟前的模式輸入以外的過去的模式輸入用作為過去模式輸入也可得到與本實施形態一樣的效果。
本案發明並不限定於上述實施形態，可在實施階段在未脫離其要旨的範圍內進行各種變形。此外，上述實施形態中包含有各種階段之發明，可藉由揭示的複數個構成要件的適宜的組合來抽出各種發明。例如，在即使從上述實施形態1至3各自揭示的全構成要件中刪除掉幾個構成要件，也可解決發明所欲解決之課題欄中所述的課題，得到發明之效果欄中所述的效果時，就可將刪除掉該構成要件 後之構成當作是發明而予以抽出。另外，亦可將上述實施形態1至3中的所有構成要件予以適當地組合。
(產業上之可利用性)
如以上所述，本發明之馬達控制裝置，可利用於包含馬達之控制對象的控制，尤其適用作為驅動產業用機械裝置之馬達控制裝置。
1、1A、1B‧‧‧規範模式部
2‧‧‧回饋控制部
3‧‧‧模式輸入加法器
4‧‧‧控制對象
5‧‧‧檢測器
11、11A、11B‧‧‧模式控制器決定部
12、12C、12D、12E‧‧‧模式控制器
13‧‧‧模式輸入記憶體
14‧‧‧數學模式
15‧‧‧目標值記憶部
21‧‧‧模式輸出減法器
22‧‧‧回饋控制器
100、200、300‧‧‧馬達控制裝置
121、121C、121D、121E‧‧‧模式子控制器
122‧‧‧模式輸入變化量加法器
151‧‧‧目標值記憶體
1211C‧‧‧模式偏差增益乘法器
1212C‧‧‧目標值速度模式增益乘法器
1213C‧‧‧目標值加速度模式增益乘法器
1214C‧‧‧1步驟前模式輸入增益乘法器
1215C‧‧‧模式減法器
1216C‧‧‧目標值速度產生器
1217C‧‧‧目標值加速度產生器
1218C、1214D、1214E‧‧‧加法器
1211D‧‧‧模式偏差積分增益乘法器
1212D‧‧‧累計值記憶體
1213D‧‧‧累計值加法器
1211E‧‧‧狀態變數微分增益乘法器
1212E‧‧‧狀態變數記憶體
1213E‧‧‧狀態變數微分減法器
第1圖係顯示本發明實施形態1之馬達控制裝置的構成之方塊圖。
第2圖係顯示本發明實施形態1之馬達控制裝置的數學模式的一例之二慣性系模式之圖。
第3圖係顯示本發明實施形態1之馬達控制裝置的模式控制器的構成之方塊圖。
第4圖係顯示本發明實施形態2之馬達控制裝置的構成之方塊圖。
第5圖係顯示本發明實施形態2之馬達控制裝置的最大輸出容許集合之例之圖。
第6圖係顯示本發明實施形態2之馬達控制裝置的動作例之圖。
第7圖係顯示本發明實施形態3之馬達控制裝置的構成之方塊圖。
第8圖係顯示本發明實施形態3之馬達控制裝置的候選的模式控制器的一例之方塊圖。
第9圖係顯示本發明實施形態3之馬達控制裝置的候 選的模式控制器的一例之方塊圖。
第10圖係顯示本發明實施形態3之馬達控制裝置的候選的模式控制器的一例之方塊圖。
1‧‧‧規範模式部
2‧‧‧回饋控制部
3‧‧‧模式輸入加法器
4‧‧‧控制對象
5‧‧‧檢測器
11‧‧‧模式控制器決定部
12‧‧‧模式控制器
13‧‧‧模式輸入記憶體
14‧‧‧數學模式
15‧‧‧目標值記憶部
21‧‧‧模式輸出減法器
22‧‧‧回饋控制器
100‧‧‧馬達控制裝置
151‧‧‧目標值記憶體

Claims (12)

  1. 一種馬達控制裝置，具備有：規範模式部，根據包含馬達之控制對象的控制輸出所應追隨的目標值，來產生表示希望前述控制對象進行的動作之模式輸出、以及用來驅使前述控制對象進行前述希望的動作之模式輸入；回饋控制部，將前述控制輸出及前述模式輸出予以輸入，而產生使前述控制輸出追隨前述模式輸出之回饋輸入；以及模式輸入加法器，將前述模式輸入及前述回饋輸入予以相加而產生要給予前述控制對象之控制輸入，前述規範模式部包含有：將前述目標值的現在的值及前述目標值的一個或複數個過去的值作為目標值向量而加以保持之目標值記憶部；模擬前述控制對象的特性，根據前述模式輸入而產生前述模式輸出及狀態變數之數學模式；根據前述目標值向量及前述狀態變數，來產生前述模式輸入之模式控制器；以及根據前述目標值向量及前述狀態變數，從預先設定的複數個候選的模式控制器之中決定出前述模式控制器之模式控制器決定部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達控制裝置，其中，前述規範模式部復具備：用來保持屬於前述模式輸 入的過去的值之過去模式輸入之模式輸入記憶體，前述模式控制器亦根據前述過去模式輸入來產生前述模式輸入，前述模式控制器決定部亦根據前述過去模式輸入來決定前述模式控制器。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之馬達控制裝置，其中，前述模式控制器係根據前述目標值向量、前述狀態變數、及前述過去模式輸入來計算出前述模式輸入的變化量，然後藉由將前述過去模式輸入與前述變化量相加來產生前述模式輸入。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之馬達控制裝置，其中，前述模式控制器決定部，係根據前述目標值向量、前述狀態變數、及前述過去模式輸入來決定出屬於數值向量之模式增益，前述模式控制器係將前述目標值向量、前述狀態變數、及前述過去模式輸入乘以前述模式增益來產生前述變化量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之馬達控制裝置，其中，前述模式控制器係藉由將前述變化量加上模式偏移後再與前述過去模式輸入相加，來產生前述模式輸入，前述模式控制器決定部係根據前述目標值向量、前述狀態變數、及前述過去模式輸入來決定前述模式偏移。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之馬達控制裝置，其中， 前述模式控制器決定部係以使前述模式輸入及前述變化量的任一方、或兩方都比預定的值更小之方式來進行前述模式控制器之決定。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之馬達控制裝置，其中，前述模式控制器決定部係將前述模式增益決定成使前述模式輸入及前述變化量的任一方、或兩方都比預定的值小者。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之馬達控制裝置，其中，前述模式控制器決定部係將前述模式增益及前述模式偏移決定成使前述模式輸入及前述模式輸入的變化量的任一方、或兩方都比預定的值小者。
  9. 如申請專利範圍第4、第5或第7項所述之馬達控制裝置，其中，前述模式控制器決定部係根據前述目標值向量、前述狀態變數、及前述過去模式輸入，使用包含有預先設定的前述候選的模式增益之增益對應圖來決定前述模式增益。
  10. 如申請專利範圍第5或第8項所述之馬達控制裝置，其中，前述模式控制器決定部係根據前述目標值向量、前述狀態變數、及前述過去模式輸入，使用包含有預先設定的前述候選的模式增益之增益對應圖及包含有預先設定的前述候選的模式偏移之偏移對應圖來決定前述模式增益及模式偏移。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之馬達控制裝置，其中，前述模式控制器決定部係預先設定使以下的評估函數為最小之前述增益對應圖及前述偏移對應圖 其中，xM(i)為i步驟時之前述狀態變數，uM(i)為i步驟時之前述模式輸入，△uM(i)為i步驟時之前述變化量，X為前述狀態變數的約束集合，U為前述模式輸入的約束集合，△U為前述變化量的約束集合，Xf為前述狀態變數的終端約束集合，Uf為前述模式輸入的終端約束集合，Q為狀態權重，R為輸入權重，PN為終端權重，N為範圍。
  12. 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之馬達控制裝置，其中，前述數學模式係將振動的機械系統予以模式化而成者。
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